Говоря об инженерном и изобретательском творчестве вообще и о Шухове в частности, часто главный упор делают на здравый смысл, как компас в работе. Но в этом случае многое может оказаться вне поля зрения, что не устроило бы инженера столь большого масштаба. Только на подлинно научной основе можно прийти к принципиально новому, к парадоксальным выводам и решениям.
Сочетание качеств опытного практика и хорошего теоретика помогло В. Г. Шухову подходить к созданию новых конструкторских форм на основе научного анализа возможных технических решений в широком диапазоне, их обстоятельной математической обработки.
Шухов и Гауди – родоначальники несущих изогнутых сетчатых плоскостей
На исходе XIX столетия появилась новая форма конструкции: регулярные поверхности двоякой отрицательной кривизны, получившие название гиперболоида (рис. 1) и гиперболического параболоида (ГИПАР) (рис. 2). Эти регулярные поверхности были известны в математике с давних пор.
Рис.1. Гиперболоид и его характеристические сечения.
Рис.2. Гиперболический параболоид и его характеристические сечения.
Независимо друг от друга русский инженер В. Г. Шухов и каталонский архитектор Антони Гауди (1852—1926 гг.) выявили конструктивные и производственно-технические преимущества применения таких поверхностей в строительстве. Шухов построил в 1896 г. на Всероссийской выставке в Нижнем Новгороде свою первую башню в виде гиперболоида. Архитектор Гауди, известный своеобразным оформлением зданий в Барселоне, был, кроме того, и выдающимся конструктором. После первых шагов по изучению формообразования (предположительно в 1884 г.) он с 1909 г. начал применять гиперболический параболоид — перекошенную (в трех измерениях) плоскость — как конструкционное решение для форм стен и сводов кирпичных построек.
Тому, что гиперболоид и гиперболический параболоид Шухова — Гауди из регулярных поверхностей и других форм строительных конструкций оказались наиболее предпочтительными, имеются две причины. Первая связана с тем, что их седловидная форма придает даже тонкостенным пространственным конструкциям сравнительно высокую устойчивость. Второй практической причиной их применения в строительстве является то, что эти перекошенные поверхности можно просто изготовить из прямых элементов. Ведь, согласно определению, регулярные поверхности двоякой кривизны образуются в результате перемещения прямой образующей по двум направляющим. При образовании указанных форм в строительстве на смену плоскости (простой поверхности) приходит сетка или решетка с одинаковым шагом линейных элементов. Статические анализы Шухова все дальше уводили его от конструкций «иерархического типа» (стойки, прогоны, стропила, обрешетины и др.) к изогнутым сетчатым плоскостям, которые могли быть изготовлены из одинаковых элементов с ячейками или шагом (рис. 3) примерно такого же размера. Сетчатые башни в форме гиперболоидов явились составной частью этого процесса развития [2].
Рис.3. Водонапорная башня Шухова в Полибино. Получение поверхности двоякой кривизны с помощью прямых стержневых элементов.
Во времена бурного развития машиностроения естественным было воздействие его концепций (механики) на принципы конструирования инженерных сооружений (статику). Действительно, обнаруживается связь механического движения с геометрией регулярных поверхностей. В качестве примера можно назвать вращение, трансляцию или перенос (перемещение вдоль прямой или кривой) и винтовое движение по спирали. Шухов множество раз успешно использовал этот вид формообразования для разработки новых конструкционных форм.
Графическая статика, получившая к тому времени достаточное развитие, привела инженера и использующего инженерный подход архитектора к формам, возникающим не из геометрии, а из силового поля. Это формы, которые не установлены изначально в своих пропорциях (как, например, квадрат, круг или стрельчатая арка), а освобождены от этих ограничений и могут быть созданы с помощью статического метода в соответствии с силами, действующими на конструкцию.
Шуховские башни гиперболоидного типа
Среди конструкций гиперболоидного типа, конечно, наиболее характерными являются шуховские башни.
Для 16-й Всероссийской художественной и промышленной выставки в Нижнем Новгороде инженер В. Г. Шухов спроектировал (1894 г.) и построил (1896 г.) железную гиперболоидную водонапорную башню (высота 25,6 м, емкость резервуара 123 000 л). Напорная башня служила для водоснабжения и была одновременно инженерным экспонатом фирмы Бари. Архитектурная выразительность ажурной конструкции гиперболоидной башни из взаимно пересекающихся стержней привлекла всеобщее внимание в России. Об экспонатах Шухова появились сообщения в зарубежных технических журналах. Прекрасное зрительное впечатление создавал «эффект муара» стоек башни, вызывая живописные «рефлексы света и тени». В путеводителе по Нижегородской выставке отмечалось, что башня, построенная Шуховым, стала своего рода «гвоздем» выставки. На Парижской выставке (1889 г.) была построена «башня Эйфеля», на Нижегородской — «башня Бари», хотя точнее было бы назвать ее «башней Шухова».
Для воссоздания истории появления гиперболоидных башен системы инженера Шухова следует привести его воспоминания (в записи Г. М. Ковельмана): «… о гиперболоиде я думал давно. Шла какая-то, видимо, глубинная, немного подсознательная работа, но все как-то вплотную к нему я не приступал». Возможно, что, как он отмечал, корзина для бумаг в его кабинете из ивовых веток в форме гиперболоида стала первичным образом, эмпирической моделью для разработки технического принципа построения гиперболоидной конструктивной формы. Однако при высокой изобретательской смекалке, которая была характерна для Шухова, представить аналитическую модель конструкции можно было, лишь обладая широкими знаниями и инженерной эрудицией. Он отмечал, что в годы учебы «…на лекциях по аналитической геометрии о гиперболоидах вращения рассказывали, конечно, для тренировки ума, но уж никак не для практического использования». При замысле проектирования гиперболоидной башни его геометрические познания об образовании однополостного гиперболоида вращения из взаимно пересекающихся образующих прямых в момент творческого «озарения» должны были увязаться со взглядом на такую поверхность как на функционирующую инженерную структуру. Шухов как инженер должен был увидеть, что направляющие гиперболоида могут рационально осуществлять в сооружении несущие функции, как сжатые стойки.
Основная причина быстрого распространения в России башен системы Шухова заключалась в их низкой стоимости по сравнению с другими типами по критерию экономичности, легкости и устойчивости.
Практически башни Шухова оказались вдвое дешевле аналогичных сооружений для водоснабжения. Это открывало широкие перспективы для их использования в промышленном строительстве. В период промышленного подъема, особенно с 1900 г., в связи со строительством промышленных предприятий и большими потребностями городов и железных дорог в водоснабжении было построено множество одноярусных башен Шухова в качестве водонапорных башен, а также маяков, дозорных и дроболитейных башен.
Несущие возможности этих конструкций значительно возросли (емкость резервуаров до 1 230 000 л). Таким образом, к февралю 1917 г. благодаря строительству 33 башен Шухова на протяжении двух десятилетий емкость резервуаров повысилась в 10 раз. В зависимости от различных практических условий применения этих систем башни различаются по высоте (9,1 — 39,5 м) и количеству стержней (25—80 штук). К 1901 г. Шухов произвел расчеты по определению длин стержней несущей сетки и величин сечения различных элементов башен. Он стандартизовал элементы фундамента, предложил определенный порядок разбивки остова кольцами и рассчитал количество уголков для направляющих остова в зависимости от двух параметров: величины емкости резервуара (123, 369, 738 и 1230 м3) и высоты башни. По существу Шухов разработал типовые проекты башен. Он постоянно искал новые соотношения внешних параметров для совершенствования одноярусной конструкции башен.
Для одноярусного маяка высотой 68 м Шухов предложил принципиально новое конструктивное решение гиперболоидной системы с установкой по центру железной трубы (диаметр 2 м), связанной с остовом радиальными тягами в плоскости колец (через 10 м). Выбор конструктивной формы двух гиперболоидных маяков в г. Херсоне (высота 68 и 28 м, 1911 г.) был глубоко продуман Шуховым (рис. 4).
Рис. 4. Маяк Станиславского под Херсоном, высота 28,5 метров.
С 1935 г. началось строительство гиперболических деревянных градирен по системе Шухова вначале для Орской ТЭЦ (высота 36 м, площадь орошения 2400 м2, 1937—1938 гг.), а затем для ТЭЦ в Москве и Харькове на основе патента Шухова.
Шаболовская радиобашня
Самым известным и действующим сейчас сооружением гиперболоидного типа является башня для радиостанции на Шаболовке в г. Москве, которая являлась символом советского радиовещания в течение нескольких десятилетий (рис. 5). 30 июля 1919 г. было издано Постановление Совета рабоче-крестьянской обороны, подписанное В. И. Лениным. Народному комиссариату почт и телеграфов было поручено для обеспечения надежной и постоянной связи центра республики с западными государствами и окраинами «установить… в чрезвычайно срочном порядке в г. Москве радиостанцию», оборудованную наиболее совершенными приборами и машинами. Еще в феврале 1919 г. В. Г. Шухов предложил первоначальный проект и поверочный расчет многоярусной гиперболоидной радиобашни в Москве высотой 350 м, состоящей из девяти секций, постепенно уменьшающихся в диаметре. Доклад В. Г. Шухова о проекте башни и способе ее монтажа был заслушан на заседании строительной комиссии в Народном комиссариате почт и телеграфов. Учитывая нехватку в стране металла в эти годы, было решено установить радиобашню высотой 150 м. В своей рабочей тетради с пометкой от 28 февраля 1919 г. (по заданию Государственных объединенных радиотелеграфных заводов) В. Г. Шухов сделал поверочный расчет для шестиярусной башни беспроволочного телеграфа из гиперболоидных блоков по 25—30 м, массой до 50 т. Работы по изготовлению элементов и сборке первого нижнего блока башни начались поздней осенью 1919 г. Выяснилось, что, хотя на башню требовалось всего 240 т металла, в Москве его найти не могли. Комиссар строительства радиостанции и радиобашни Ф. П. Коваль рассказывал, что председатель правительственной строительной комиссии Народного комиссариата почт и телеграфов А. М. Николаев обратился к В. И. Ленину с просьбой разрешить использовать железо из запасов военного ведомства в г. Смоленске. Вопрос о строительстве радиобашни поставили на заседании Совнаркома, и по предложению В. И. Ленина было принято решение выдать необходимый металл.
Рис. 5. Шаболовская башня.
(используется для трансляций телевидения, снимок 2009 г.)
1 марта 1922 г. была сдана в эксплуатацию радиостанция мощностью 100 кВт незатухающих колебаний с дуговым генератором, установленная на ажурной башне системы Шухова. 19 марта 1922 г. начал действовать телеграфный радиопередатчик Шаболовской (Шуховской) башни. Передачи принимались на окраине страны и за рубежом.
Шуховская башня много лет была наиболее высоким сооружением в стране (высота колокольни Ивана Великого в Московском Кремле 80 м, Исаакиевского собора в Санкт-Петербурге и башни церкви Петера в Риге 120 м). Конструктивные решения, примененные при строительстве Шаболовской радиобашни, для столь сложного пространственного сооружения оптимально просты. В 1947 г. с увеличением эксплуатационной нагрузки от антенны турникетного типа и рефлекторной антенны проводилось обследование двухсот узлов и башни. Несмотря на 25-летнюю эксплуатацию, коррозия металла в узловых соединениях составляла лишь 5% от толщины. Проект усиления башни предусматривал установку 17 дополнительных колец во II, III и IV секциях. В 1970 г. в связи с установкой на Шаболовской телебашне новой антенны рупорного излучателя, а также подъемника производился расчет ее стержней при коррозии 10% от толщины по машинной программе для ЭВМ «Парадокс-71». В 1973 г. был выполнен соответствующий расчету проект усиления Шаболовской телебашни. Кольца жесткости были предусмотрены в III и V секциях.
Для характеристики экономической эффективности интересно сопоставить это сооружение с другими типами конструкций высотных сооружений — башней Эйфеля в Париже и телевизионной башней в Токио. По первоначальному проектному варианту башни (1919 г., 350 м) предполагаемый вес составлял 2,2 тыс. т, в то время как вес башни Эйфеля (305 м) — 8,85 тыс. т, телевизионной башни в Токио (330 м) — 4 тыс. т (для этой башни применялись высокосортные стали). При сравнении этих показателей для трех наиболее высоких в мире сооружений подобного назначения следует отметить экономичность башни Шухова. Высокие эксплуатационные достоинства башни во многом определялись использованием высокопрочных немецких рурских сталей для ее элементов. Остроумное инженерное решение конструкции этого сооружения не сгладится со временем даже при развитии новых методов строительства высотных конструкций.
При подготовке статьи использовались книги и сайты:
1. Шухов В.Г. (1853-1939). Искусство конструкции: Пер. с нем./ Под ред. Р. Грефе, М. Гаппоева, О. Перчи. – М.: Мир, 1995. – 192 с.
2. Щербо Г.М. В.Г. Шухов и его сетчатые конструкции. – Промышленное строительство, 1974, №5.
3. Ковалев И. Шедевр решили сдать в утиль. – Нижегородский рабочий, 2006, №77/15971.
4. http://www.swteam.info/
5. http://www.gosdirekcia.ru/news?id=396/
6. http://www.arhinovosti.ru/
7. Ковельман Г.М. Творчество Почетного академика и инженера Владимира Григорьевича Шухова. – М.: Госстройиздат, 1961.